【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及信号测试，尤其涉及飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法及装置。
技术介绍
1、对单个分子进行研究能够为研究人员提供前所未有的分辨率来观察和探测分子行为。传统的化学研究通常是在系综水平，即对大量分子群体的平均行为进行测量，而这往往会淹没单个分子的独特性质。当空间尺度精细到单个分子的尺度时，研究人员能够直接观察单个分子的物理和化学特性，这有助于揭示分子间相互作用、反应动力学、构象变化以及电子转移等过程的本质。
2、对单个分子进行研究需要借助单分子电学器件来进行，目前较为常用的一种单分子电学器件是将经过化学设计的两端带有氨基的单个分子通过酰胺共价键与石墨烯电极相连接，从而构筑稳定的石墨烯—分子—石墨烯单分子结。由于单个分子的信号非常微弱，并且容易受到环境噪声的干扰，因此对单个分子的信号测试条件非常严格。其中综合物性测量系统（ppms）能够提供超低温和强磁场的电学测试环境，因此在单分子电子学的研究中经常需要借助ppms进行测试，具有重要的应用价值。
3、ppms是由美国quantum design公司所开发，被广泛应用于材料科学、凝聚态物理和纳米科技等领域。ppms的主要构成是在一个精细控制的超低温和强磁场平台上，集成了全自动的热学、电学以及磁学等多种物性测量手段。此外，ppms还提供一些拓展功能选件，能够满足研究人员不同的研究需求。这种高度集成化的测试仪器在过去的十几年内已经获得世界各科学家的认可，因此在单分子电子学领域中，ppms成为了一种研究利器。
4、但是由于电学测试中仪器响
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是提供飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法及装置，能够实现飞秒级时间分辨率的单个光响应分子微弱信号的探测。
2、本专利技术是通过以下技术方案予以实现：
3、飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其包括如下步骤：
4、s1：从飞秒激光器发射的激光经过第一反射镜反射到第一合束分束片上，50%的光透射形成泵浦脉冲光路，50%的光反射形成探测光光路；
5、s2：泵浦脉冲光路经第二反射镜反射到宽带光参量放大器中，再经过第三反射镜反射进入第一光阑进行光束定位后，再经过具有固定频率的斩波器后出射到可调谐的第一衰减片，再分别通过第四反射镜、第二合束分束片射入导入光纤中；
6、s3：探测光光路反射到时间延迟器中实现飞秒级延迟后再经过第五反射镜和第六反射镜反射后进入第二光阑进行光束定位，然后再经过白光产生模块产生连续探测白光，再经过第七反射镜及第二合束分束片射入导入光纤中；
7、s4：泵浦脉冲光路与探测光光路进入放置在综合物性测量系统的测试腔内的多功能样品杆中，经多功能样品杆内的偏振片偏振产生左旋或右旋圆偏振光后照射到放置在多功能样品杆样品载台上待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件上，所述待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件通过铜线及导电银胶与样品载台电极柱连接；
8、s5：单个光响应分子经泵浦脉冲光路照射后被激发，再通过探测光光路进行探测，并通过信号采集单元反映出来显示在电脑上。
9、优化的，飞秒激光器为钛蓝宝石飞秒激光器。
10、优化的，白光产生模块包括依次设置的第一凸透镜、可调谐的第二衰减片、yag白光晶体、第二凸透镜及滤光片。
11、进一步，多功能样品杆包括样品杆主体、导入光纤接口、夹具、偏振片、样品载台及绞线，所述导入光纤接口固定安装在样品杆主体顶部且与导入光纤连接，所述夹具固定安装于样品杆主体内且位于导入光纤接口的下方，所述偏振片安装在夹具上，所述样品载台安装于样品杆主体内且位于夹具的下方，待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件固定放置在样品载台上，所述绞线与待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件的金电极及信号采集单元连通。
12、优化的，绞线为双绞线。
13、进一步，信号采集单元包括前置电流放大器及锁相放大器，所述前置电流放大器用于将绞线传输的检测信息放大后传输给锁相放大器，锁相放大器用于提取与参考信号同频且有相位关联的成分并传输给电脑。
14、进一步，锁相放大器提取与参考信号同频且有相位关联的成分的方法如下：
15、d1：锁相放大器将输入信号根据式（1）表示为一个交流信号叠加在直流偏置上：
16、（1）；
17、其中：表示锁相放大器输入信号，表示待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件产生的平均电流，表示待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件产生的光电流，表示锁相放大器产生的参考频率，等于斩波器频率，表示时间，表示锁相放大器的初相位，表示随机噪声；
18、d2：锁相放大器将输入信号与参考信号同步相乘并积分，根据式（2）提取与参考频率同相的信号成分：
19、（2）；
20、其中：表示提取的与参考频率同相的信号成分，表示积分时间周期；
21、d3：将提取的与参考频率同相的信号通过和差化积计算得到（3）：
22、（3）；
23、d4：将锁相放大器的初相位固定，将淹没在噪声中的光电信号锁定在参考频率下放大后传给电脑读出。
24、优化的，步骤d4中将锁相放大器的初相位固定为0。
25、优化的，步骤s3中经过白光产生模块产生的连续探测白光波长范围为500 纳米–950 纳米。
26、飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测装置，用于执行上述任意一项所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其包括飞秒激光器、第一反射镜、第一合束分束片、泵浦脉冲光路、探测光光路、第二合束分束片、导入光纤、综合物性测量系统、多功能样品杆、信号采集单元及电脑，所述飞秒激光器、第一反射镜、第一合束分束片依次耦合，所述泵浦脉冲光路包括依次耦合的第二反射镜、宽带光参量放大器、第三反射镜、第一光阑、具有固定频率的斩波器、可调谐的第一衰减片、第四反射镜，所述探测光光路包括依次耦合的时间延迟器、第五反射镜、第六反射镜、第二光阑、白光产生模块、第七反射镜，所述白光产生模块包括依次耦合设置的第一凸透镜、可调谐的第二衰减片、yag白光晶体、第二凸透镜及滤光片，泵浦脉冲光路与探测光光路通过第二合束分束片合束后进入导入光纤，所述多功能样品杆放置于综合物性测量系统的测试腔内，所述多功能样品杆包括样品杆主体、导入光纤接口、夹具、偏振片、样品载台及双绞本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述飞秒激光器为钛蓝宝石飞秒激光器。
3.根据权利要求1所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述白光产生模块包括依次设置的第一凸透镜、可调谐的第二衰减片、Yag白光晶体、第二凸透镜及滤光片。
4.根据权利要求1所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述多功能样品杆包括样品杆主体、导入光纤接口、夹具、偏振片、样品载台及绞线，所述导入光纤接口固定安装在样品杆主体顶部且与导入光纤连接，所述夹具固定安装于样品杆主体内且位于导入光纤接口的下方，所述偏振片安装在夹具上，所述样品载台安装于样品杆主体内且位于夹具的下方，待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件固定放置在样品载台上，所述绞线与待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件的金电极及信号采集单元连通。
5.根据权利要求4所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述绞
6.根据权利要求4所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述信号采集单元包括前置电流放大器及锁相放大器，所述前置电流放大器用于将绞线传输的检测信息放大后传输给锁相放大器，锁相放大器用于提取与参考信号同频且有相位关联的成分并传输给电脑。
7.根据权利要求6所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：锁相放大器提取与参考信号同频且有相位关联的成分的方法如下：
8.根据权利要求7所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：步骤D4中将锁相放大器的初相位固定为0。
9.根据权利要求1所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：步骤S3中经过白光产生模块产生的连续探测白光波长范围为500 纳米–950 纳米。
10.飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测装置，用于执行如权利要求1至9任意一项所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：包括飞秒激光器、第一反射镜、第一合束分束片、泵浦脉冲光路、探测光光路、第二合束分束片、导入光纤、综合物性测量系统、多功能样品杆、信号采集单元及电脑，所述飞秒激光器、第一反射镜、第一合束分束片依次耦合，所述泵浦脉冲光路包括依次耦合的第二反射镜、宽带光参量放大器、第三反射镜、第一光阑、具有固定频率的斩波器、可调谐的第一衰减片、第四反射镜，所述探测光光路包括依次耦合的时间延迟器、第五反射镜、第六反射镜、第二光阑、白光产生模块、第七反射镜，所述白光产生模块包括依次耦合设置的第一凸透镜、可调谐的第二衰减片、Yag白光晶体、第二凸透镜及滤光片，泵浦脉冲光路与探测光光路通过第二合束分束片合束后进入导入光纤，所述多功能样品杆放置于综合物性测量系统的测试腔内，所述多功能样品杆包括样品杆主体、导入光纤接口、夹具、偏振片、样品载台及双绞线，所述导入光纤接口固定安装在样品杆主体顶部且与导入光纤连接，所述夹具固定安装于样品杆主体内且位于导入光纤接口的下方，所述偏振片安装在夹具上，所述样品载台安装于样品杆主体内且位于夹具的下方，待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件固定放置在样品载台上且通过铜线及导电银胶与样品载台电极柱连接，所述绞线与待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件的金电极及信号采集单元连通，所述信号采集单元包括相互连接的前置电流放大器及锁相放大器，所述电流放大器与双绞线连通，所述锁相放大器与电脑连通。
...【技术特征摘要】
1.飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述飞秒激光器为钛蓝宝石飞秒激光器。
3.根据权利要求1所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述白光产生模块包括依次设置的第一凸透镜、可调谐的第二衰减片、yag白光晶体、第二凸透镜及滤光片。
4.根据权利要求1所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述多功能样品杆包括样品杆主体、导入光纤接口、夹具、偏振片、样品载台及绞线，所述导入光纤接口固定安装在样品杆主体顶部且与导入光纤连接，所述夹具固定安装于样品杆主体内且位于导入光纤接口的下方，所述偏振片安装在夹具上，所述样品载台安装于样品杆主体内且位于夹具的下方，待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件固定放置在样品载台上，所述绞线与待探测的连接了单个光响应分子的石墨烯单分子器件的金电极及信号采集单元连通。
5.根据权利要求4所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述绞线为双绞线。
6.根据权利要求4所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：所述信号采集单元包括前置电流放大器及锁相放大器，所述前置电流放大器用于将绞线传输的检测信息放大后传输给锁相放大器，锁相放大器用于提取与参考信号同频且有相位关联的成分并传输给电脑。
7.根据权利要求6所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：锁相放大器提取与参考信号同频且有相位关联的成分的方法如下：
8.根据权利要求7所述的飞秒级时间分辨率光响应单分子信号探测方法，其特征在于：步骤d4中将锁相放大器的初相位固定...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭雪峰，张志卓，高庆华，田娣，贾传成，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
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